CN107598358A - 一种通过消耗型搅拌摩擦工具增材制造的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过消耗型搅拌摩擦工具增材制造的方法，其特征在于：以消耗型材料作为搅拌摩擦工具，采用搅拌摩擦堆焊的方法，使消耗型搅拌摩擦工具的材料在基体表面逐层固相堆积，从而制备出所需金属材料。本发明的方法具有成本低廉、成型速度快、制备用时短等优点。

Description

一种通过消耗型搅拌摩擦工具增材制造的方法
技术领域
本发明涉及复合材料制备的技术领域，具体涉及利用消耗型搅拌摩擦工具通过搅拌摩擦堆焊增材制造的方法。
背景技术
铝合金与镁合金等轻金属材料以及轻金属基复合材料近年来在汽车、船舶、航空航天和国防领域发展迅速，零件朝着小型化、复杂化的方向发展。传统铸造方法制备合金材料因其力学性能不佳，难以满足使用要求；通过锻压等方法生产零件，模具复杂、精度要求高，对于小批量零件生产成本高。而粉末冶金法、化学气相沉积法、自蔓延高温合成法、离心铸造法、等离子喷涂法等，制备效果不理想、设备昂贵、工艺繁琐，在材料制备的实际应用中很难得到广泛推广。所以，一种制备小型、复杂结构零件的新方法就显得尤为重要。
以高能束流为热源的金属熔化增材制造技术在制备钛合金、高温合金等材料方面有很大的技术优势，但对铝合金、镁合金等材料由于能量的吸收率极低，限制了高能束增材制造技术在铝合金、镁合金制造领域的应用。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种通过消耗型搅拌摩擦工具增材制造的方法。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明公开了一种通过消耗型搅拌摩擦工具增材制造的方法，其特点在于：以消耗型材料作为搅拌摩擦工具，采用搅拌摩擦堆焊的方法，使消耗型搅拌摩擦工具的材料在基体表面逐层固相堆积，从而制备出所需金属材料。具体包括如下步骤：
(1)基体选择
根据所需制备的金属材料，选择合适金属板材作为基体，所选基体上表面面积不小于所需制备的金属材料的最大截面积；
当所需制备的金属材料为合金块体材料时，选择硬质合金板材作为基体；当所需制备的金属材料为金属基表面材料时，以目标金属基板材作为基体；
(2)加工前处理
对所选基体的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理；
(3)选取消耗型搅拌摩擦工具
按照所需制备的金属材料的成分，选取相同成分的消耗型搅拌摩擦工具；
(4)第一层搅拌摩擦堆焊
将经前处理后的基体固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以消耗型搅拌摩擦工具对基体的上表面进行第一层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h1在0.8-1.2mm范围内；所选消耗型搅拌摩擦工具的直径根据第一层堆焊层的目标面积选择；
其中：消耗型搅拌摩擦工具的旋转速度为300-3000rpm、行进速度为30-300mm/min；
(5)第二层搅拌摩擦堆焊
将步骤(4)进行完第一层搅拌摩擦堆焊后的基体，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以消耗型搅拌摩擦工具对其进行第二层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h2在0.8-1mm范围内，第二层堆焊层与第一层堆焊层的重合区域厚度为则第二层堆焊层与第一层堆焊层的重合度为k2，50％≥k2≥20％；所选消耗型搅拌摩擦工具的直径根据第二层堆焊层的目标面积选择；
其中：消耗型搅拌摩擦工具的旋转速度为300-3000rpm、行进速度为30-300mm/min；
(6)第n层搅拌摩擦堆焊
以此类推，按步骤(5)相同的方法，将进行完第n-1层搅拌摩擦堆焊后的基体，n≥1，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以消耗型搅拌摩擦工具对其进行第n层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度hn在0.8-1mm范围内，第n层堆焊层与第n-1层堆焊层的重合区域厚度为则第n层堆焊层与第n-1层堆焊层的重合度为kn，50％≥k2≥20％；所选消耗型搅拌摩擦工具的直径根据第n层堆焊层的目标面积选择；
其中：消耗型搅拌摩擦工具旋转速度为300-3000rpm、行进速度为30-300mm/min；
(7)后处理
当所需制备的金属材料为合金块体材料时，在完成步骤(6)后，将基体切除，即获得目标产品；
当所需制备的金属材料为金属基表面材料时，在完成步骤(6)后，即获得目标产品。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明通过搅拌摩擦堆焊，利用消耗型搅拌摩擦工具，以金属板材为基体即可成功制备出所需金属材料，在加工过程中材料始终处于固相状态，从而避免了其他方法在熔化和凝固过程引起的缩松、孔隙等缺陷；并且本发明的方法设备简单、操作步骤简便、不需要使用保护气体、绿色环保、生产成本较低。
附图说明
图1为本发明搅拌摩擦堆焊过程的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细说明，下述实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
(1)基体选择
根据需要，选择200mm×100mm×10mm的H13钢作为基体。
(2)加工前处理
对所选基体的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理。
(3)第一层搅拌摩擦堆焊
将经前处理后的基体固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以AZ91D镁合金消耗型搅拌摩擦工具对基体的上表面进行第一层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h1为1mm，堆焊面积为150mm×80mm，具体工艺参数为：搅拌头的旋转速度1500rpm、行进速度60mm/min。
(4)第二层搅拌摩擦堆焊
将步骤(3)进行完第一层搅拌摩擦堆焊后的基体，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以AZ91D镁合金消耗型搅拌摩擦工具对其进行第二层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h2为0.8mm、堆焊面积为140mm×70mm，第二层堆焊层与第一层堆焊层的重合区域厚度为为0.16mm，则第二层堆焊层与第一层堆焊层的重合度为k2，k2＝20％，具体工艺参数为：搅拌头的旋转速度1500rpm、行进速度60mm/min。
(5)第二十层搅拌摩擦堆焊
以此类推，按步骤(4)相同的方法，依次进行第三层至第二十层搅拌摩擦堆焊，各堆焊层的厚度皆为0.8mm、后一堆焊层与前一堆焊层的重合度皆为20％。其中，第3～6层堆焊层的面积为120mm×50mm、第7～10层堆焊层的面积为100mm×40mm、第11～14层堆焊层的面积为60mm×30mm、第15～18层堆焊层的面积为30mm×20mm、第19～20层堆焊层的面积为10mm×10mm。且后一堆焊层不超出前一堆焊层所在的区域。
(6)在完成20次搅拌摩擦堆焊后，将基体切除，即获得厚度为13.16mm、最大截面积为150mm×80mm、最小截面积为10mm×10mm的AZ91D镁合金。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
(1)基体选择
根据需要，选择200mm×100mm×10mm的H13钢作为基体。
(2)加工前处理
对所选基体的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理。
(3)第一层搅拌摩擦堆焊
将经前处理后的基体固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以7075铝合金消耗型搅拌摩擦工具对基体的上表面进行第一层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h1为1mm，堆焊面积为200mm×100mm，具体工艺参数为：搅拌头的旋转速度1200rpm、行进速度47.5mm/min。
(4)第二层搅拌摩擦堆焊
将步骤(3)进行完第一层搅拌摩擦堆焊后的基体，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以7075铝合金消耗型搅拌摩擦工具对其进行第二层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h2为0.8mm、堆焊面积为200mm×100mm，第二层堆焊层与第一层堆焊层的重合区域厚度为为0.16mm，则第二层堆焊层与第一层堆焊层的重合度为k2，k2＝20％，具体工艺参数为：搅拌头的旋转速度1200rpm、行进速度47.5mm/min。
(5)第十五层搅拌摩擦堆焊
以此类推，按步骤(4)相同的方法，依次进行第三层至第十五层搅拌摩擦堆焊，各堆焊层的厚度皆为0.8mm、后一堆焊层与前一堆焊层的重合度皆为20％、堆焊面积皆为200mm×100mm。具体工艺参数为：搅拌头的旋转速度1200rpm、行进速度47.5mm/min。
(6)在完成15次搅拌摩擦堆焊后，将基体切除，即获得厚度为9.96mm、面积为200mm×100mm的7075铝合金。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
(1)基体选择
根据需要，选择1050铝合金板材作为基体。
(2)加工前处理
对所选基体的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理
(3)第一层搅拌摩擦堆焊
将经前处理后的基体固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以硅质量百分含量为20％的Al-20Si消耗型搅拌摩擦工具对基体的整个上表面进行第一层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h1为1mm，具体工艺参数为：搅拌头旋转速度1500rpm、行进速度47.5mm/min。
(4)经过一次搅拌摩擦堆焊，本实施例即获得了表面为1mm Al-20Si的1050铝合金表面材料。
以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种通过消耗型搅拌摩擦工具增材制造的方法，其特征在于：以消耗型材料作为搅拌摩擦工具，采用搅拌摩擦堆焊的方法，使消耗型搅拌摩擦工具的材料在基体表面逐层固相堆积，从而制备出所需金属材料。
2.根据权利要求1所述的一种通过消耗型搅拌摩擦工具增材制造的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)基体选择
根据所需制备的金属材料，选择合适金属板材作为基体，所选基体上表面面积不小于所需制备的金属材料的最大截面积；
当所需制备的金属材料为合金块体材料时，选择硬质合金板材作为基体；当所需制备的金属材料为金属基表面材料时，以目标金属基板材作为基体；
(2)加工前处理
对所选基体的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理；
(3)选取消耗型搅拌摩擦工具
按照所需制备的金属材料的成分，选取相同成分的消耗型搅拌摩擦工具；
(4)第一层搅拌摩擦堆焊
将经前处理后的基体固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以消耗型搅拌摩擦工具对基体的上表面进行第一层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h1在0.8-1.2mm范围内；所选消耗型搅拌摩擦工具的直径根据第一层堆焊层的目标面积选择；
其中：消耗型搅拌摩擦工具的旋转速度为300-3000rpm、行进速度为30-300mm/min；
(5)第二层搅拌摩擦堆焊
将步骤(4)进行完第一层搅拌摩擦堆焊后的基体，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以消耗型搅拌摩擦工具对其进行第二层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h2在0.8-1mm范围内，第二层堆焊层与第一层堆焊层的重合区域厚度为则第二层堆焊层与第一层堆焊层的重合度为k2，50％≥k2≥20％；所选消耗型搅拌摩擦工具的直径根据第二层堆焊层的目标面积选择；
其中：消耗型搅拌摩擦工具的旋转速度为300-3000rpm、行进速度为30-300mm/min；
(6)第n层搅拌摩擦堆焊
以此类推，按步骤(5)相同的方法，将进行完第n-1层搅拌摩擦堆焊后的基体，n≥1，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以消耗型搅拌摩擦工具对其进行第n层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度hn在0.8-1mm范围内，第n层堆焊层与第n-1层堆焊层的重合区域厚度为则第n层堆焊层与第n-1层堆焊层的重合度为kn，50％≥k2≥20％；所选消耗型搅拌摩擦工具的直径根据第n层堆焊层的目标面积选择；
其中：消耗型搅拌摩擦工具旋转速度为300-3000rpm、行进速度为30-300mm/min；
(7)后处理
当所需制备的金属材料为合金块体材料时，在完成步骤(6)后，将基体切除，即获得目标产品；
当所需制备的金属材料为金属基表面材料时，在完成步骤(6)后，即获得目标产品。
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